ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ
advertisement
ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ATMOSFÄÄRIKAITSE СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Атмосфера - газовая оболочка, окружающая Землю и вращающаяся вместе с нею Геосфера Атмосфера Гидросфера Литосфера Биосфера Масса, кг Время перемешивания, годы 5,2·1018 2,4·1021 2,4·1055 4,2·1016 < 0.2 1600 >3·107 60 2 СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Границы атмосферы: Нижняя – поверхность земли или моря Верхняя – на высоте около 3000км В приземном слое высотой 5 км сосредоточена половина массы атмосферы В слое 30-40 км сосредоточено 99% массы атмосферы 3 СТРОЕНИЕ АТМОСФЕРЫ По характеру изменения температуры: •Тропосфера •Стратосфера •Мезосфера •Термосфера •Экзосфера Слой атмосферы Темпера тура нижней границы слоя, 0С Температ ура верхней границы слоя, 0С Температурн ый градиент, К/км Высота верхней и нижней границ слоя над уровнем моря, км Тропосфера 15 -56 -6,45 0-11 Стратосфера -56 -2 +1,38 11-50 Мезосфера -2 -92 -2,56 50-85 Термосфера -92 1200 +3,11 85-500 4 По химическому составу: •Гомосфера (0 – 95 км) По характеру протекающих процессов: •Гетеросфера (выше 95 км) •Озоносфера (10-50 км) По концентрации заряженных частиц: •Нейтроносфера (атмосфера) (0-80 км) •Хемосфера (стратосфера, мезосфера, частично ионосфера) •Ионосфера (выше 80 км) По отношению к подстилающей поверхности: •Атмосферный пограничный слой: приземный пограничный слой планетарный пограничный слой •Устойчивая свободная атмосфера 5 Химический состав атмосферы Постоянные составляющие:N2, O2, Ar, He, Ne, Kr, Xe, Rn Переменные составляющие: пары воды и CO2 Случайные составляющие: CO, NОx, O3, CnHm, NH3, SO2 и другие 6 Компонент Формула Концентрация, % об. Концентрация % масс. Азот N2 78.09 75,54 Кислород O2 20,95 23,14 Аргон Ar 0,93 1,27 Неон Ne 1,8·10-3 1,2·10-3 Гелий He 5,2·10-4 7,2·10-5 Криптон Kr 1·10-4 3·10-4 Ксенон Xe 8·10-6 3,6·10-5 Радон Rn 6·10-16 - Диоксид углерода CO2 0,035 0,048 H2O 0,2 2,6 - O3 1,7·10-6 H2 1·10-6 0,001 – 0,0001 5·10-5 Метан CH4 1,6·10-4 1·10-4 Закись азота N2O 3,5·10-5 7,6·10-5 Окись азота NO 1·10-6 3·10-7 Двуокись азота NO2 2·10-6 Водяной пар: в полярных широтах у экватора Озон: в тропосфере в стратосфере Водород 4·10-6 7 Время пребывания веществ в атмосфере Вещество Формула Гелий He Среднее время пребывания в атмосфере 107 лет Азот N2 106 - 2·107 лет Кислород O2 5·103 – 104 лет CO2 5-10 лет H2 4-8 лет Метан CH4 4-7 лет Закись азота N2O 2,5-4 года Озон O3 0,3-2 года Оксид углерода CO 0,2-0,5 лет Диоксид азота N2O 8-11 суток Вода H2O 10 суток Сульфат-ион SO42- 10 суток Оксид азота NO 9 суток Аммиак NH3 5-6 суток Нитрат-ион NO3- 5 суток Диоксид серы SO2 2-4 суток Сероводород H2S 0,5-4 суток Хлороводород НСl 4суток Диоксид углерода Водород 8 Атмосферное давление Сила, с которой столб воздуха давит на единицу земной поверхности mатм g p0 2 4R mатм - масса атмосферы, кг g - ускорение свободного падения, м/с² R - радиус земного шара, м P = 101325 кг/(м•с²) или 0,1 МПа 1 атм = 101325 Па = 0,1 МПа = 760 мм рт. ст = 10332 мм вод. ст. 1 бар = 10(5) Па = 09869 атм 9 Происхождение атмосферы Первичная атмосфера: водород H2, метан CH4, аммиак NH3, водяной пар H2O, сероводород H2S и др. Вторичная атмосфера: азот N2, кислород O2 и др. (около 200 млн лет назад, с появлением живых организмов) 10 Тепловой баланс атмосферы Источник тепла – солнечная радиация Средняя температура приземного слоя + 15ºС Средняя температура приземного слоя без атмосферы была бы -19ºС 11 Общая циркуляция атмосферы Общая циркуляция атмосферы- это планетарная система воздушных течений над земной поверхностью, горизонтальные размеры которой соизмеримы с материками и океанами, а толщина составляет от нескольких километров до десятков километров. Причина циркуляции – неодинаковое нагревание земной поверхности на разных широтах, а также над материками и океанами. 12 Вода в атмосфере Источник воды в атмосфере – испарение из океанов и других водоемов Сток воды из атмосферы – атмосферные осадки Роль воды в атмосфере – снижает значение высотного температурного градиента в тропосфере 13 Источники загрязнения атмосферы Источники загрязнения Природные Геохимические (вулканы, пустыни и полупустыни, сухие степи, мировой океан, горные породы, лесные и степные пожары, метеориты) Биологические , обусловлены деятельностью живых организмов (растения, микробиологическая деятельность) Атмосферные (реакции, Антропогенные Теплоэнергетика Транспорт Промышленные предприятия Добыча полезных ископаемых Растениеводство Животноводство и птицеводство Свалки Коммунально-бытовое хозяйство протекающие в атмосфере) 14 Источники загрязнения атмосферы Источники выбросов точечные линейные плоские Источники выбросов стационарные передвижные Выбросы организованные неорганизованные Выбросы технологические вентиляционные трубы, шахты технол. линии площадки 15 Стоки Химические процессы, протекающие в атмосфере Вымывание атмосферными осадками «Сухое» поглощение подстилающей поверхностью или «сухая» седиментация Вынос за пределы атмосферы Выветривание горных пород Радиоактивный распад 16 ЗАГРЯЗНЕНИЕ АТМОСФЕРЫ Загрязнение атмосферы – изменение состава атмосферы в результате наличия в ней примесей. Загрязнением атмосферы считается прямое или косвенное введение в нее любого вещества в таком количестве, которое воздействует на качество и состав наружного воздуха, нанося вред людям, живой и неживой природе, экосистемам, природным ресурсам, строительным материалам – всей окружающей среде. 17 ЗАГРЯЗНЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА Загрязняющие вещества – это вещества, которые оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду либо непосредственно после химических изменений в атмосфере, либо в сочетании с другими веществами. Первичные загрязнители – вещества, поступающие в атмосферу непосредственно из источников Вторичные загрязнители – вещества, образующиеся в атмосфере в результате химических реакций 18 Загрязняющие вещества (поллютанты) Основные антропогенные источники Твердые частицы (пыль), диаметр частиц более 1 мкм Сжигание топлива, металлургическая промышленность, промышленность стройматериалов (производство цемента и др.) Аэрозоли (диаметр частиц 0,1-0,001 мкм Сжигание топлива, металлургическая промышленность, промышленность стройматериалов (производство цемента и др.), химическая промышленность Диоксид углерода СО2 Сжигание топлива, производство цемента Монооксид углерода СО Сжигание топлива (неполное сгорание) Диоксид серы SO2 Сжигание топлива, металлургическая промышленность, переработка нефти и природного газа, производство серной кислоты Оксиды азота NOx Сжигание топлива, высокотемпературные процессы, производство азотной кислоты и азотных удобрений, процессы нитрования, производство взрывчатых веществ Летучие углеводороды СnHm Неполное сгорание топлива, добыча и переработка нефти и природного газа, выращивание риса, животноводство Озон О3 Перенос из стратосферы, фотохимические реакции в атмосфере в присутствии углеводородов, монооксида углерода и оксидов азота 19 КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ Масштаб Проблема по региону Глобальная Глобальный Континентальная Региональная по высоте по времени Атмосфера Десятилетия Континентальный Стратосфера Годы Государственная Государственный Тропосфера Месяцы Промышленного конгломерата Обширный район Тропосфера Недели Города Городской Нижний слой до 500-1500 м Дни Локальная Непосредственное окружение источника Высота дымовой трубы Часы Компетенция организаций Международных Примеры Повышение концентрации СО2, Разрушение озонового слоя Кислотные дожди Государственных Региональных (местных самоуправлений) Загрязнение тяжелыми металлами Выбросы промышленного предприятия Смог Выбросы котельной 20 ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ 1. Влияние на здоровье людей Содержание загрязняющего вещества, ниже которого не наблюдается болезненных реакций, называется пороговым уровнем Последствия для здоровья людей: головные боли раздражение глаз и носоглотки тошнота общее плохое самочувствие приступы астмы респираторные заболевания рак легких Последствия зависят: • • от концентрации вещества от длительности его воздействия (экспозиции) 21 ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ 2. Влияние на растительность Ограничивается процесс фотосинтеза , снижается содержание хлорофилла и изменяется минеральный состав зеленой массы Снижается поглощение питательных веществ, замедляется рост растений Желтеют и опадают хвоя и листья Увеличивается чувствительность лесов к поражению насекомыми и патогенами Гибель лесов 22 ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ 3. Влияние на материалы Коррозия металлов Разрушение металлических конструкций (опор мостов и эстакад, железнодорожных рельсов и др.) Старение красок и облицовочных материалов Ухудшение качества резины, бумаги, кожи, тканей (особенно из хлопка, вискозы и нейлона) Разрушение мраморных и бронзовых статуй, исторических зданий, витражей 23 ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ 4. Психологическое и эстетическое влияние 24 ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ВОЗДУХА 1. Разрушение озонового слоя Земли 2. Кислотные осадки 3. Глобальное потепление 4. Смог 25 РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ Озоновый слой Расположен на высоте 10-50 км Максимальная концентрация озона на высоте 18-30 км Концентрация озона < 4·10(-6)% Защищает все живые организмы от вредного коротковолнового УФизлучения Парниковый газ Толщина озонового слоя над Европой снижается на 4-5% каждые десять лет (рапорт ЕЭК) 26 РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ Механизм образования и разрушения озона: Образуется в верхних слоях стратосферы и нижних слоях мезосферы О2 + hν(240нм) → О + О М = N2, O2 О2 + О + М → О3 + М Разрушается согласно реакциям О3 + hν(380нм) → О2 + О О3 + О → 2О2 Суммарно 2О3 ↔ 3О2 Цикл Чемпена *Фотохимическая теория образования озона была сформулирована С. Чемпеном в 1930 году 27 РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ Озоноразрушающие вещества: Х˙ + О3 → ХО + О2 ХО + О˙ → Х˙ + О2 О3 + О˙ → 2О2 Х˙ = Сl˙, Br˙, NO˙ CFC – clorofluorocarbons, freoonid ХФУ – хлорфторуглероды, производные метана, в молекуле которого все атомы углерода замещены на хлор и фтор, ФРЕОНЫ CFC-11 (CFCl3), CFC-12 (CF2Cl2), CFC-113 (CCl2FCClF2) и др. •Хладагенты (холодильники, кондиционеры) •Пропелленты (аэрозольные упаковки) •Вспениватели (пенобетоны, пористые пластмассы, огнегасящие составы) •Растворители ( электронная промышленность, обезжиривание деталей, очистка компьютерных микросхем) 28 РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ Oзоноразрушающие вещества HCFC – hydrogenclorofluorocarbons (заменители фреонов) ГХФУ –фторхлоруглеводороды, CHFCl2, CHF2Cl, CH2FCl, C2HF3Cl2 и др. HCF – hydrogenfluorocarbons, фторуглеводороды, C2HF5, C2H2F4 HBFC бромфторуглеводороды 1,1,1 – трихлорэтан (метилхлороформ) BHM бромхлорметан MB метилбромид тетрахлоруглерод галоны (бромхлоруглероды) 29 РАЗРУШЕНИЕ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ Последствия разрушения озонового слоя: уменьшается выносливость различных материалов (например, резины) и вместе с тем – длительность пользования этими материалами; погибают обитающие в верхних слоях воды водные организмы (бентос); уменьшаются сельскохозяйственные урожаи и рыбные уловы; уменьшается иммунитет людей против различных заболеваний; увеличивается возможность заболевания раком кожи и катарактой глаз (как у людей, так и у животных), заболеваниями легких и верхних дыхательных путей. 30 ОХРАНА ОЗОНОВОГО СЛОЯ United Nations Environment Programme Ozone Secretariat http://ozone.unep.org/ Венская конвенция «Об охране озонового слоя», 22 марта 1985 года Страны-участники конвенции договорились о необходимости проводить систематические и фундаментальные исследования, связанные с озоновым слоем, включить в законодательство требования по уменьшению и ликвидации эмиссии веществ, разрушающих озоновый слой, а также создать специальную международную институцию по способствованию и координированию охраны озонового слоя – секретариат по озону 31 ОХРАНА ОЗОНОВОГО СЛОЯ Монреальский протокол «По веществам, разрушающим озоновый слой», 16 сентября 1987 года Направлен на прекращение производства и использование озоноразрушающих веществ (ОРВ) в мире в 1990 году т.н. Лондонская поправка (ужесточает сроки сокращения потребления озоноразрушающих веществ и расширяет их список). ; в 1992 году т.н. Копенгагенская поправка (расширяет список веществ, регулируемых протоколом) ; в 1997 году т.н. Монреальская поправка (предусматривает создание глобальной системы лицензирования экспорта и импорта озоноразрушающих веществ, а также ужесточение графика сокращения производства и потребления метилбромида); в 1999 году т.н. Пекинская поправка (направлена на введение мер регулирования поэтапного сокращения производства гидрохлорфторуглеродов и гидрофторуглеродов, которые используются в качестве хладагентов, вспенивателей, растворителей, компонентов пожаротушащих смесей) В 1996 году промышленно развитые страны полностью прекратили производство фреонов, а также галонов и тетрахлорида углерода. Развивающиеся страны должны сделать это в 2010 году. 32 ОХРАНА ОЗОНОВОГО СЛОЯ Цель Европейского Союза в области охраны озонового слоя – это реализация мероприятий, которые на территории Европейского Союза, а также в других регионах мира могут предотвратить эмиссии веществ, разрушающих озоновый слой. Директива Европарламента и Совета Европы № 2037/2000 «О веществах, разрушающих озоновый слой» от 29 июня 2000 года). Директива определяет порядок, в котором требования Монреальского протокола выполняются странами-участницами Европейского Союза. Директива регулирует производство, импорт, экспорт, поставки, применение, утечки и утилизацию (уничтожение) веществ, разрушающих озоновый слой, включенных в приложение директивы, а также устанавливает порядок лицензирования всего импорта ОРВ 33 •Тропосферный озон является парниковым газом •ХФУ и ГХФУ также являются сильнодействующими парниковыми газами, выбросы регулируются Монреальским протоколом •ГФУ – сильнодействующие парниковые газы, выбросы регулируются Киотским протоколом 34 ВЫВОДЫ Производство озоноразрушающих веществ в Западной Европе сократилось почти на 90% Производство ГФУ с низким озоноразрушающим потенциалом, но сильным влиянием на глобальное потепление, продолжает расти Существующее оборудование и изделия продолжают содержать большие количества фреонов и галонов, образуя выбросы при высвобождении этих газов. 35 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Парниковый эффект – удержание значительной части тепловой энергии Солнца у земной поверхности 1824 г. Жан Батист Жозеф Фурье (Jean Baptiste Joseph Fourier) описал парниковый эффект: атмосфера пропускает коротковолновое солнечное излучение, но задерживает отраженную Землей длинноволновую тепловую энергию 1861г. Джон Тиндаль (John Tyndall) установил, что подобно водяному пару молекулы СО2 также экранируют длинноволновое излучение 1896 г. Сванте Аррениус (Svante Arrhenius) пришел к выводу, что из-за сжигания угля происходит рост концентрации СО2 в атмосфере, и это должно приводить к усилению парникового эффекта и потеплению климата 36 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Парниковые газы – газы, задерживающие длинноволновое ИК излучение Земли Парниковый эффект – природное явление, необходимое для жизни на Земле Парниковые газы: Водяной пар Н2О Диоксид углерода СО2 Метан СН4 Оксид диазота N2O Тропосферный озон O3 Фреоны Поглощают ИК-излучение в 50100 раз интенсивнее, чем СО2 Средняя температура на Земле +15 °С В отсутствие парникового эффекта средняя температура на Земле была бы –19 °С Деятельность человека изменяет энергетический баланс Земли В результате деятельности человека парниковый эффект усиливается 37 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ 38 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Газ Рост концентрации примерно с 1750 года Доля в глобальном потеплении Диоксид углерода СО2 + 30% 64% •Сжигание топлив •Уничтожение лесов (изменение землепользования) •Производство цемента Метан СН4 + 145% 20% •Животноводство •Выращивание риса •Производство энергии •Свалки •Биомасса +15% 6% •Биомасса •Производство энергии •Удобрения •Производство азотной кислоты Оксид диазота N2O Фреоны Основные антропогенные источники •Холодильники •Кондиционеры •Аэрозольные упаковки •Производство вспененных материалов •Электронная промышленность 39 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Природные источники СО2: •дыхание живых организмов •вулканические газы •выделение океаном Стоки СО2: •фотосинтез •связывание океаном •образование карбонатов В результате деятельности человека нарушен баланс между поступлением и стоками СО2 40 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Знаменитая гавайская пила — кривая изменения содержания атмосферного СО2 на станции Мауна-Лоа на Гавайских островах. Кривая считается глобальным эталоном; на других станциях значения концентраций несколько отличаются, но траектории их хода в основном похожи Источник: Global Environment Outlook 3. UNEP, 2002 1750 г. С со2 = 280 ppm 2000 г. С со2 = 370 ppm ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Кривая изменения содержания атмосферного метана ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ Последствия усиления парникового эффекта: повышение средней глобальной температуры (на 2,0 – 4,5° С) таяние полярных льдов подъем уровня океана (на 28-43 см) и затопление обширных густозаселенных зон изменение режима осадков – увеличение их количества в одних районах и уменьшение в других смещение климатических поясов виды флоры и фауны не будут успевать адаптироваться к быстроменяющимся климатическим условиям изменение привычного климата на климат более неустойчивый, что нанесет вред сельскому хозяйству многих стран мира и неблагоприятно скажется на здоровье населения этих стран ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ 1988 год. Всемирной Метеорологической Организацией (ВМО) и Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП) была создана Межправительственная группа экспертов по изменению климата МГЭИК Доклады МГЭИК публикуются каждые 6-7 лет и признаются 192 странами – членами ООН 1990 год. Первый доклад МГЭИК (заложил основу для создания Рамочной конвенции ООН по изменению климата) 1992 год. Рамочная Конвенция ООН об изменении климата (Рио-де-Жанейро) 1994 год. Конвенция вступила в силу 1995 год. Второй доклад МГЭИК (глобальное потепление признано как научный факт) 1997 год. Киотский протокол по борьбе с выбросами парниковых газов (его действие истекает в 2012 году) 2001 год. Третий доклад МГЭИК (был сделан прогноз, что в ближайшие сто лет температура на Земле может подняться на 1,4-5,8 градусов) 2007 год, февраль. Четвертый доклад МГЭИК (продемонстрировал четкую связь между повышением уровня антропогенных эмиссий углекислого газа и изменением климата) 44 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ КИОТСКИЙ ПРОТОКОЛ Приложение А Приложение В Парниковые газы: Зафиксированы обязательства стран сократить к 2010 году выбросы парниковых газов по сравнению с 1990 годом ЕС -на 8% США -на 7% Япония -на 6 % Эстония -на 8% •Диоксид углерода СО2 •Метан СН4 •Закись азота N2O •Гидрофторуглероды (ГФУ, HFC) •Перфторуглероды (ПФУ, PFC)* •Гексафторид серы SF6 *ПФУ – углеводороды, у которых все атомы водорода замещены фтором 45 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ МЕХАНИЗМЫ КИОТСКОГО ПРОТОКОЛА KIOTO MEHHANISMID Emission Trading – emissioonidega kauplemine, торговля выбросами (с 01.01.2005 года) Clean Development Mechanism – puhta arengu mehhanism, механизм чистого развития (развитые страны, которые не могут изменить свои технологии, вкладывают средства в развитие чистых технологий развивающихся стран) Joint Implementation – ühise eesmärgi poole püüdlemine, совместное осуществление (сотрудничество между развитыми странами с целью сокращения выбросов парниковых газов, обмен информацией и технологиями взамен денежных средств или квот на выбросы СО2) 46 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ На саммите Европейского союза (ЕС), проходившем в Брюсселе 8-9 марта 2007 года, был принят ряд важных решений в области борьбы с изменением климата. Cтраны ЕС договорились о совместном сокращении выбросов парниковых газов на 20% к 2020 году по сравнению с 1990 годом. ЕС призвал развитые страны сократить общий объем выбросов парниковых газов на 30% к 2020 году, по сравнению с 1990, и на 60-80% к 2050 году Страны ЕС договорились о введении жестких требований по повышению энергоэффективности (на 20%), увеличению доли возобновляемых источников энергии (до 20%) и биотоплива (до 10%) к 2020 году 47 ПАРНИКОВЫЙ ЭФФЕКТ ДЕЙСТВИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ Снизить масштабы сжигания фоссильных топлив Увеличить энергетический к.п.д. Экономить энергию Увеличить долю возобновляемых источников энергии Приостановить вырубку лесов, восстанавливать леса 48
